JPH07175025A - 電子吸収光学変調器 - Google Patents

電子吸収光学変調器

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JPH07175025A
JPH07175025A JP6216309A JP21630994A JPH07175025A JP H07175025 A JPH07175025 A JP H07175025A JP 6216309 A JP6216309 A JP 6216309A JP 21630994 A JP21630994 A JP 21630994A JP H07175025 A JPH07175025 A JP H07175025A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ホール消滅時間を非常に短縮した
電気吸収光学変調器を提供することを目的とする。 【構成】 第１の構成材料の基体30と、この基体に支持
され第２の構成材料の複数の量子ウェル層を具備する多
重量子ウェル構造33を含んだｐ−ｉ−ｎ構造を限定する
エピタキシャル成長層とを有する電気吸収光学変調器に
おいて、量子ウェル層が第３の構成材料35のバリア層に
挟まれ、バリア層35が隣接する量子ウェル層34の間の実
質上バンド構造の相互作用を阻止するのに十分な厚さで
あり、第３の構造材料が第１の構造材料の歪みのない格
子定数より小さい格子定数を有し、バリア層が引張り歪
みを受けるように構成されていることを特徴とする。１
例では基体30はＩｎＰで、また量子ウェル層34はＩｎ
1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y で形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子吸収光学変調器、特
に逆バイアスされた多重量子ウェル（ＭＱＷ）構造を備
えたこのようなタイプの変調器に関し、このような変調
器で生じがちな飽和効果を考慮する。
【０００２】
【従来の技術】この発明の目的に対しては交互の量子ウ
ェル層とバリア層との多重量子ウェル（ＭＱＷ）構造
と、交互の量子ウェル層とバリア層に類似した超格子構
造との間で区別しなければならない。この区別はＭＱＷ
構造ではバリア層が隣接した量子ウェル層の間の実質的
なバンド構造の相互作用を不可能にするのに十分な厚さ
であり、一方超格子構造ではバリア層は特におよび故意
に小バンド構造を生成するのに十分な相互作用を与える
程の薄さである。
【０００３】ＭＱＷ電子吸収変調器で観察される飽和効
果は逆バイアスされた量子ウェルからの光子により生成
されたキャリアの低速の消滅から生じるものである。こ
れらの効果はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰとＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＰ系のような半導体系で示される傾向にあり、ここ
では量子ウェル層の両側の価電子帯の段差は対応する伝
導帯の段差よりも非常に大きい。文献（“Observation
of Separate Electronand Hole Escape Rates in Unbia
sed Strained InGaAsP Multiple Quantum Well Laser S
tructure ”と題するApplied Physics Letters 、62(2
0)、1993年５月17日、2525-7頁）はＩｎＰでつくられて
いるバリア層で挟まれたＩｎＧａＡｓＰで作られている
量子ウェルを含んだ多重量子ウェル構造で生成された光
子生成電子およびホールの消滅時間を評価するために行
われる測定が説明されている。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
半導体系ではホールの消滅時間は対応する電子の消滅時
間よりも非常に長いが、ホールの消滅時間は歪みのない
量子ウェルの例の場合の約１８ｎｓから量子ウェル構成
が量子ウェルを１．２％圧縮するように選択された例の
場合の約１０ｎｓ、および量子ウェル構成が代りに量子
ウェルを引っ張るように選択された例の場合の約１３ｎ
ｓに短縮されることもできる。高いエネルギレベル（圧
縮して歪んだ量子ウェルの場合の軽いホールと引張り歪
みの量子ウェルの場合の重いホール）を経て熱的に補助
されたトンネル効果によるホール消滅時間のこれらの短
縮はある程度、飽和問題を改良する効果を明らかに有す
るが、多くの応用では不都合な長いホール消滅時間を残
す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はホール消滅時
間をさらに顕著に短縮することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によると、第１の
構成材料の基体と、この基体に支持され第２の構成材料
の複数の量子ウェル層を具備する多重量子ウェル構造を
含んだｐ−ｉ−ｎ構造を限定するエピタキシャル成長層
とを有する電気吸収光学変調器において、量子ウェル層
が第３の構成材料のバリア層に挟まれ、バリア層が隣接
する量子ウェル層の間の実質上バンド構造の相互作用を
阻止するのに十分な厚さであり、第３の構造材料が第１
の構造材料の歪みのない格子定数より小さい格子定数を
有し、バリア層が引張り歪みを受けるように構成されて
いることを特徴とする電気吸収光学変調器が提供され
る。
【０００６】
【実施例】本発明を好ましい形態で実施した電子吸収変
調器の説明を行う。この説明は構造により与えられるホ
ール消滅時間の短縮に対して示された理由を最初に説明
している。説明は添付図面を参照する。図１は単一の量
子ウェルのバンド構造を示しており、実線10は量子ウェ
ルの境界の電子エネルギ不連続を示した伝導帯を示し、
一方、実線11はこれらの境界におけるホールエネルギ不
連続を示した価電子帯を示している。実線10,11 間の垂
直な分離はバンドギャップを示し、これは量子ウェルの
一方に位置するバリア層材料よりも量子ウェルで少な
い。伝導帯におけるエネルギ不連続は価電子帯における
エネルギ不連続よりも非常に小さく表されており、例え
ばウェルがＩｎＧａＡｓＰで作られ、バリア層がＩｎＰ
で作られている歪みのないＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子
ウェル構造の例で維持される状況である。限定された電
子の顕著なエネルギと関連した伝導帯と価電子帯との間
のエネルギ不連続のこの不均衡は比較的高速な電子消滅
時間とホール消滅時間の間の大きな差によるものであ
る。
【０００７】量子ウェルの材料が異なった歪みのない格
子定数であるが同じバンドギャップを有する異なった構
成の同一の厚さと置換されるならば、バンド構造が変化
する。特に、新しい量子ウェル材料が量子ウェル層に圧
縮歪みを加える歪みのないより大きな格子定数を有する
ならば伝導帯の不連続は鎖線12により表されるように電
子ウェルを深くする結果としてやや増加する。新しい量
子ウェル材料のバンドギャップがもとの量子ウェル材料
のバンドギャップと同一であるので、価電子帯の不連続
で補足的な変化が存在し、鎖線13により示されているよ
うに同量だけこの反転したウェルの最も深いバンド端部
を浅くする。この最も深いバンド端部は重いホールのバ
ンド端部であり、軽いホールは破線14により表されてい
るやや浅いレベルにある（重いホールと軽いホールのバ
ンド端部は歪みのない材料で同一のエネルギである）。
【０００８】他方、新しい量子ウェル材料が量子ウェル
に（圧縮歪みの代りに）引張り歪みが加えられる結果生
じる非常に小さい歪みのない格子定数を有し、伝導帯か
ら重いホールのバンドギャップをほぼ維持するように構
成が選択されるならば、伝導帯の電子ウェルはやや浅く
（図示せず）形成され、重いホールの価電子帯のウェル
は同量（図示せず）だけ深く形成され、従って同一のバ
ンドギャップを維持し、軽いホール用の価電子帯の対応
するウェルは非常に多量（図示せず）により深くされ
る。これらの変化は図１では示されておらず、これは量
子ウェル材料が圧縮して歪みを受けるときに関係する歪
みのないバンド構造と比較するのみであり、両者の例の
量子ウェル層は歪みのないバリア層の間で限定されてい
る。しかしながら同等の結果が図２のバンド構造で示さ
れており、ここでは量子ウェル材料が圧縮して歪みをう
けるときに関係する線10,11 で与えられている歪みのな
いバンド構造と比較され、バリア層材料は引張り歪みを
受ける。この例では新しい量子ウェル材料は図１と同じ
である新しい量子ウェル材料であり、一方新しいバリア
層材料はもとのバリア層材料よりも小さい歪みのない格
子定数を有する異なった組成であり、従って新しい材料
は引張り歪みを受ける。ほぼ伝導バンドから重いホール
のバンドギャップを維持するように構成も選択される。
鎖線25で表されているようにこの引張り歪みの結果は伝
導帯の不連続を増加し、鎖線26で表されているようにほ
ぼ同量だけ重いホール用の価電子帯の不連続を減少し、
破線27で示されているように軽いホールに関して多量に
価電子帯の不連続を減少する。線11で表されているよう
に歪みのない材料の価電子帯のエネルギレベルの不連続
と比較するとき、圧縮して歪みを受けた量子ウェル材料
の重いホールのエネルギレベル13と引張り歪みを受けた
バリア層材料の軽いホールのエネルギレベル27との間の
相対的な近似は、重いホールから軽いホールへの変換に
より、変換が必要ではない対応する歪みのない構造より
もより簡単に、量子層材料で生成された光子生成のホー
ルがバリア層材料に移動して消滅することを可能にす
る。
【０００９】図２を参照すると、光ホールエネルギレベ
ルが量子ウェル材料よりもバリア層材料中で深いレベル
にあるとして表されていることが明らかであるが、これ
は実際に必要な関連する関係であることを示すものと理
解すべきではない。
【００１０】レーザダイオードの分野では量子ウェルが
圧縮歪みを受け、これらが挟まれているバリア層が引張
り歪みを受けるＭＱＷ構造を有することが知られている
ことにも留意する。このようなレーザではバリア層の引
張り歪みの量は典型的に量子ウェルの圧縮歪みの量と比
較して非常に小さい。これは量子ウェルの圧縮歪みを補
償するためにバリア層に引張り歪みが与えられているた
めである。バリア層は量子ウェル層よりも非常に厚く設
計されており、従ってバリア層の対応する低い歪みで均
衡が達成され、これは材料の成長を助長する。これは電
子吸収変調器に関する本発明の例での状態と対照的であ
り、本発明では引張り歪みは歪み補償の目的でバリア層
に与えられるものではなく、代りにバンド構造を有効に
変更する効果のために使用される。この例の引張り歪み
は典型的に歪みを受けたＭＱＷレーザの例よりも高く、
典型的に少なくとも０．５％であり、通常０．８％より
大きく、成長状況が可能ならば約１．０％が好ましい。
【００１１】図３を参照すると、本発明の特定の１実施
例が断面図で示されている。必要な層構造は約１０18ｃ
ｍ-3の濃度に硫黄でｎドープしたｎ型のＩｎＰ基体30上
にエピタキシャルに成長されている。この上に５×１０
17ｃｍ-3にドープされた約０．５μｍの厚さのｎ型バッ
ファ層31が生長されている。これは約１．０５ｅＶのバ
ンドギャップを与えるため組成のドープしていない格子
整合したＩｎＧａＡｓＰの０．２μｍの厚さの層32が続
き、これは導波体の下半分を形成する。ドープされてい
ないＭＱＷ構造が次に成長され、必要な動作波長に基づ
いて約０．７８ｅＶのバンドギャップを生じる組成の４
個程の８ｎｍの厚さのＩｎＧａＡｓＰ量子ウェル34を具
備し、これは１％の圧縮歪みを有し、約１．０ｅＶの電
子から軽いホールのバンドギャップを生じるような組成
の８ｎｍの厚いバリア層35により分離され、１％の引張
り歪みを有し、同一材料の２つの４ｎｍの厚さの層36に
より挟まれている。第１と同一の第２の導波体層37が成
長され、５×１０17ｃｍ-3にドープされ約１．５μｍの
厚さであるｐ型のＩｎＰ層38が続き、これは０．２μｍ
の厚さで歪みのないＩｎＧａＡｓ層39により被覆され
る。横断方向の導波体は通常の手段による構造で製造さ
れ、十分な光学的限度に必要なように上部ＩｎＰ層の下
部またはより深くにエッチングされた隆起部（リッジ：
図示せず）の形態または例えばＦｅドープしたＩｎＰの
半絶縁材料が深いエッチング隆起部（図示せず）周辺で
再度成長される埋設されたヘテロ構造（図示せず）の形
態である。
【００１２】隆起領域の外部の材料はＳｉＯ2 または類
似の材料（図示せず）により絶縁される。金属接触部40
は通常の手段により上部および下部表面に設けられる。
電気キャパシタンスを減少するため上部接触部は小面積
のパッドを提供するためパターン化され、そこに外部導
線（図示せず）が結合されることができる。装置は約１
６０μｍ程度の長さ、または“オフ”状態で適切な減衰
に必要とされる長さに分割され、チップの下面は適切な
導電性設置体（図示せず）に結合される。入力および出
力の光ファイバ（図示せず）は光を発射し、集収するた
めに横断方向の導波体と整列される。装置はほぼ２−５
Ｖの範囲で電圧スイング２−４Ｖでバイアス手段41から
の逆バイアスされた変調器として動作される。
【図面の簡単な説明】
【図１】バンド構造の図。
【図２】バンド構造の図。
【図３】層構造を示した電子吸収変調器の概略断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョージ・ホーラス・ブルック・トンプソ ン イギリス国、シーエム21・０ディーゼッ ト、ハートフォードシャー、ソーブリッジ ワース、ホーストック・ロード 20 (72)発明者 イガァー・カジェタン・ツァイコースキー イギリス国、シーエム23・３ピーティー、 ハートフォードシャー、ビショプス・スト ートフォード、ロアー・パーク・クレセン ト 42 (72)発明者 マーク・アクトン・ギボン イギリス国、シーエム23・２エスエフ、ハ ートフォードシャー、ビショプス・ストー トフォード、チャントリー・ロード 16

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の構成材料の基体と、この基体に支
    持され第２の構成材料の複数の量子ウェル層を具備する
    多重量子ウェル構造を含んだｐ−ｉ−ｎ構造を限定する
    エピタキシャル成長層とを有する電気吸収光学変調器に
    おいて、 量子ウェル層が第３の構成材料のバリア層に挟まれ、バ
    リア層が隣接する量子ウェル層の間の実質上バンド構造
    の相互作用を阻止するのに十分な厚さであり、第３の構
    造材料が第１の構造材料の歪みのない格子定数より小さ
    い格子定数を有し、バリア層が引張り歪みを受けるよう
    に構成されていることを特徴とする電気吸収光学変調
    器。
  2. 【請求項２】 第２の構成材料が第１の構成材料よりも
    歪みのない格子定数が大きく、それにより量子ウェル層
    が圧縮歪みを受けている請求項１記載の電気吸収変調
    器。
  3. 【請求項３】 第１の構成材料の格子定数が少なくとも
    ０．５％だけ第３の構成材料の格子定数より大きい請求
    項２記載の電気吸収変調器。
  4. 【請求項４】 第１の構成材料の格子定数が少なくとも
    ０．８％だけ第３の構成材料の格子定数より大きい請求
    項３記載の電気吸収変調器。
  5. 【請求項５】 変調器が基体により支持される層のｐ−
    ｉ−ｎ構造を横切って逆バイアスを供給するように構成
    された逆バイアス手段を含む請求項３記載の電気吸収変
    調器。
  6. 【請求項６】 基体がＩｎＰから形成され量子ウェル層
    がＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y で形成されている請求項
    ３記載の電気吸収変調器。
  7. 【請求項７】 変調器が基体により支持される層のｐ−
    ｉ−ｎ構造を横切って逆バイアスを供給するように構成
    されている逆バイアス手段を含んでいる請求項６記載の
    電気吸収変調器。
  8. 【請求項８】 第１の構成材料の格子定数が少なくとも
    ０．５％だけ第３の構成材料の格子定数より大きい請求
    項１記載の電気吸収変調器。
  9. 【請求項９】 第１の構成材料の格子定数が少なくとも
    ０．８％だけ第３の構成材料の格子定数より大きい請求
    項８記載の電気吸収変調器。
  10. 【請求項１０】 変調器が基体により支持される層のｐ
    −ｉ−ｎ構造を横切って逆バイアスを供給するように構
    成された逆バイアス手段を含んでいる請求項８記載の電
    気吸収変調器。
  11. 【請求項１１】 基体がＩｎＰから形成され、量子ウェ
    ル層がＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y で形成されている請
    求項８記載の電気吸収変調器。
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